題目概述

????????這個(gè)是2013年的賽題，手寫繪圖板?；救蝿?wù)是要求在覆銅板上能識(shí)別出金屬表筆的接觸位置，接觸軌跡。題目為了統(tǒng)一難度和公平性，設(shè)定了幾個(gè)限制

1.???? 覆銅板必須是普通覆銅電路板，不得進(jìn)行改變電阻率的涂層

2.???? 只能在4個(gè)角進(jìn)行電路連接

3.???? 不能用傳感器來檢測金屬表筆位置

4.???? 單電源12V供電

5.???? 功耗不大于1.5W

????????對題目進(jìn)行一下分析。要求必須是覆銅板不能用額外傳感器，就是指電路的負(fù)載必須是很小的電阻，要檢測電流流過這個(gè)很小電阻時(shí)產(chǎn)生的電壓。如果通過涂層增加了電阻率，則電阻增加，電流流過這個(gè)負(fù)載產(chǎn)生的電壓也就增大，題目難度下降。

????????單電源12V供電，這就對檢測電路中的放大器和供電方式提出了要求，增加了難度。一種方法是采用軌到軌的放大器，放大器使用單電源供電。另一種方法是將12V在電路中通過變換得到負(fù)電壓，放大器使用正負(fù)電源供電，這樣對放大器的軌到軌特性不用太高要求。芯片的選擇范圍大。

????????低功耗，不大于1.5W。覆銅板是很小的電阻，要能檢測到相鄰兩點(diǎn)之間的電壓差，需要一個(gè)較大的電流通過覆銅板。這樣就不能簡單的使用線性穩(wěn)壓器來進(jìn)行電壓變化，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器的輸出電流等于輸入電流。使用開關(guān)電源才可以達(dá)到低功耗要求。

????????總結(jié)：根據(jù)題目的要求可以簡單設(shè)想出一個(gè)方案。設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)電源從12V變化出一個(gè)低電壓大電流的輸出給覆銅板。設(shè)計(jì)放大電路檢測覆銅板上各點(diǎn)的微小電壓差。均衡選擇放大器的軌到軌性能和供電電壓。單片機(jī)采樣放大器的輸出，編程用擬合或者查表法顯示表筆的位置。由于電路中有開關(guān)電源，所以開關(guān)脈沖干擾很大，微弱電壓的檢測需要做抗干擾。

第一部分，開關(guān)電源設(shè)計(jì)

????????開關(guān)電源有個(gè)引腳是電壓反饋點(diǎn)，手冊里一般稱為FB或者Vsense，這個(gè)管腳電流很小，可以近似認(rèn)為不對電阻分流。不管開關(guān)電源的拓?fù)涫巧龎哼€是降壓，根據(jù)它的反饋方式可以搭建為恒壓輸出或者恒流輸出。電路穩(wěn)定時(shí) FB電壓等于內(nèi)部的參考電壓VREF。所以對于恒壓Vout= VREF/R2 * （R1+R2）。對于恒流 Iout= VREF / R4。

????????對于覆銅板，電阻很小，毫歐級(jí)別。所以選擇恒流輸出方式。再分析一下功率消耗。恒流輸出時(shí)的功耗，一部分是開關(guān)電源自身消耗的，一部分是負(fù)載和檢流電阻消耗的。先看看跟負(fù)載和檢流電阻有關(guān)的功耗。RLoad上的功耗= I2*RLoad。例如I=1A，RLoad=0.005歐。功耗為 5毫瓦，非常小。檢流電阻R4上的功耗= Vref 2 / R4。例如對于1.2V內(nèi)部參考電壓的開關(guān)電源，對于1A電流，R4要選擇1.2歐。功耗為 1.2 2/1.2 = 1.2 瓦?？梢钥吹?，負(fù)載和檢流電阻上的功耗，主要體現(xiàn)在檢流電阻功耗上。

????????所以，要降低功耗，要優(yōu)先選擇內(nèi)部參考電壓低的開關(guān)電源，這樣在電流不變的情況下，R4阻值選小。還有一種方法是將檢流電阻上的電壓經(jīng)過放大后接FB。這樣也可以降低檢流電阻R4上的電壓，代價(jià)是電路復(fù)雜一些。

????????開關(guān)電源選擇TPS54332，F(xiàn)B是0.8V，比1.2V的FB可以節(jié)省55%的R4上的功耗。開關(guān)電源的功率損耗主要由這幾部分：電感的直流電阻，續(xù)流二極管的功耗，芯片內(nèi)部開關(guān)的功耗。開關(guān)電源的功耗計(jì)算很復(fù)雜，這里不展開分析。給出一個(gè)選擇元件的方向。相同感值的電感選擇線徑粗的，這樣直流電阻小。二極管選擇肖特基的，導(dǎo)通電壓低。芯片選擇內(nèi)部開關(guān)內(nèi)阻低的。

第二部分，放大器及其供電

????????儀表放大器常用的例如 INA128和AD620，題目的電路特點(diǎn)是覆銅板上的共模電壓相對于GND不高，在0.8V左右。查看INA128和AD620的手冊，兩者的輸入電壓范圍都在電源供電內(nèi)一點(diǎn)幾伏。如果采用單電源供電，則要求最小電壓比GND要高一點(diǎn)幾伏。不能滿足要求。如果換更接近軌道軌的儀表放大器，芯片不好拿到，也很貴。

????????所以在芯片供電上加以改進(jìn)?？纯慈绾螐?2V得到正負(fù)供電電壓。從12V變換出正負(fù)電壓有幾種方法，例如使用成品電源模塊12V轉(zhuǎn)±5V，或者使用電荷泵開關(guān)電源轉(zhuǎn)負(fù)電壓出來。還可以使用帶雙路正負(fù)電壓輸出的開關(guān)電源芯片。這些方法都需要添加芯片和很多外圍元件，不經(jīng)濟(jì)。

????????給覆銅板提供電流的就有一個(gè)開關(guān)電源，看看能否從它里面得到負(fù)電壓。芯片第8管腳PH是開關(guān)節(jié)點(diǎn)，有正脈沖。利用這個(gè)脈沖，配上二極管和電容組成電荷泵，就可以得到負(fù)電壓。

????????開關(guān)節(jié)點(diǎn)高脈沖時(shí)，對C14充電，A點(diǎn)正電壓，B點(diǎn)GND。開關(guān)節(jié)點(diǎn)低電平時(shí)，A點(diǎn)接GND，由于電容有保存電荷，B點(diǎn)比A點(diǎn)電勢低，所以B點(diǎn)相對于GND就是負(fù)電壓。負(fù)電壓在周期脈沖的過程中，轉(zhuǎn)移到C8上。NegVout上就得到了負(fù)電壓。由于儀表放大器消耗的電流很小，C8上充入的電荷大于流出的電荷，C8可以穩(wěn)定維持負(fù)電壓。添加了兩個(gè)電容，兩個(gè)二極管，就方便的得到了負(fù)電壓。

????????由于供電來自于開關(guān)電源，正負(fù)電壓上的脈沖尖峰，紋波都比較大。對儀表放大器檢測覆銅板上弱電壓造成干擾。所以需要RC低通來濾除干擾。使用RC低通，也正是利用儀表放大器消耗電流小，R上產(chǎn)生的電壓下降不影響供電。這里供電不要求很準(zhǔn)的電壓值，只要求能滿足儀表放大器的輸入端電壓要求，并且穩(wěn)定。

????????設(shè)計(jì)完儀表放大器的供電。再來看一下儀表放大器設(shè)計(jì)。儀表放大器的輸出是給單片機(jī)ADC，不能有負(fù)電壓。儀表放大器是差分輸入，如果REF接GND，當(dāng)負(fù)相端比正相端高時(shí)，就會(huì)輸出負(fù)電壓。所以，為了避免這個(gè)情況，將儀表放大器的REF接一個(gè)0.8V的電壓，使輸出提高到0.8V。這樣當(dāng)出現(xiàn)負(fù)相端比正相端高的時(shí)候，輸出會(huì)在0.8V上減小，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓。R16控制放大倍數(shù)，計(jì)算公式為 50K / R16. 選R16= 50歐，就設(shè)計(jì)了1000倍放大。

????????需要注意的是，由于使用中表筆的抬起會(huì)導(dǎo)致儀表放大器的輸入開路，這樣儀表放大器的輸出會(huì)偏到電源軌。這個(gè)巨大波動(dòng)造成的暫態(tài)需要恢復(fù)的時(shí)間較長。所以在兩個(gè)輸入之間接100K電阻，防止開路情況。覆銅板電阻在毫歐級(jí)別，這個(gè)R1造成的影響可以忽略。

第三部分，單片機(jī)采樣和程序設(shè)計(jì)

????????單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)AD采樣、數(shù)據(jù)擬合、校準(zhǔn)和計(jì)算、圖形顯示這幾個(gè)部分。

????????AD采樣：使用stm32f429開發(fā)板內(nèi)部自帶的12bit的ADC,輸入電壓范圍為0-3.3V,儀表運(yùn)放輸出通過屏蔽線直接連接在ADC輸入端口。因?yàn)閷Σ杉l率要求不高，為了提高精度，采用采集多次取平均值的方式，提高數(shù)據(jù)精度。

下圖是使用到ADC接口：

????????數(shù)據(jù)擬合：這里我們以9個(gè)測試點(diǎn)為例，實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)擬合。當(dāng)然我們也可以多標(biāo)記幾十個(gè)點(diǎn)，然后采集出每個(gè)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)，通過matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出電壓和位置函數(shù)關(guān)系，就能夠?qū)⒉杉降碾妷海瑢?yīng)到實(shí)際pcb位置。我們以9個(gè)點(diǎn)為例：分別測出9個(gè)測試點(diǎn)的電壓值，因?yàn)槊恳淮尉艂€(gè)點(diǎn)電壓值相對GND都有小幅度變化，但9個(gè)點(diǎn)之間相對電壓值沒有變化，我們選擇中間點(diǎn)的值為0，就能夠算出其他8個(gè)點(diǎn)相對中間點(diǎn)的差值。就能夠通過采集到的電壓值反推出表筆所在位置。

????????實(shí)際單片機(jī)采集到儀表運(yùn)放輸出電壓值（mv）

九個(gè)點(diǎn)相對中間點(diǎn)電壓差值（mv）

校準(zhǔn)和計(jì)算：校準(zhǔn)比較簡單，在校準(zhǔn)模式下，將表筆探頭放在中間校準(zhǔn)點(diǎn)，測試出校準(zhǔn)點(diǎn)電壓。計(jì)算時(shí)：當(dāng)測量其他位置時(shí)，測出電壓，減去中間校準(zhǔn)點(diǎn)值電壓，得到相對中間點(diǎn)的電壓插值，根據(jù)差值就能夠找到具體測試版上位置（差值可以通過描點(diǎn)來比較或者函數(shù)線性擬合）。

圖形顯示：圖形顯示使用開發(fā)板自帶的LCD,分辨率240*240；用于測試點(diǎn)位置的顯示。屏幕使用SPI接口來進(jìn)行控制顯示。

程序流程圖如圖所示：在while循環(huán)中，完成校準(zhǔn)、測量、計(jì)算和顯示功能。

圖形顯示界面校準(zhǔn)時(shí)紅色圓圈表示校準(zhǔn)表頭要放置的位置。校準(zhǔn)界面入下圖所示：

運(yùn)行的時(shí)候，沒有圓圈的位置表示表頭放置的位置。運(yùn)行界面如下圖所示：

第四部分，聯(lián)調(diào)測試

????????恒流電源測試

????????按照原理圖在面包板上搭建好電路。示波器通道1測試開關(guān)節(jié)點(diǎn) PH管腳信號(hào)，示波器通道2測試電源輸出。

????????開啟電源給電路供電。點(diǎn)擊 power按鈕，開啟電源界面。設(shè)置電壓12V，開啟正電壓供電。

????????開啟示波器，測試開關(guān)電源的兩個(gè)信號(hào)。注意由于是開關(guān)電源，所以示波器表筆的接地要用短線纏繞一下，不能用接地夾子。接地夾產(chǎn)生的回路面積大，干擾太多。

儀表放大器供電測試

通道1測試正電壓，通道2測試負(fù)電壓。使用DC耦合。

可以測試到正電壓在5.6V，負(fù)電壓在-7.5V，滿足儀表放大器的供電需求。

????????再看一下干擾隔離效果，使用AC耦合，通道1測試隔離前，通道2測試隔離后。分別測試正電壓和負(fù)電壓。

儀表放大器測試

????????儀表放大器的輸出使用萬用表測試。在覆銅板上畫上坐標(biāo)，用表筆點(diǎn)好位置，在表格里填寫儀表放大器輸出和坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。先測試9個(gè)點(diǎn)，看一下放大器是否正常工作。

????????打開萬用表。主界面上的DMM按鈕。選擇直流電壓檔。萬用表是自動(dòng)量程。

將測試電壓填入表格

聯(lián)合測試

????????對單片機(jī)進(jìn)行初步編程，將這個(gè)9個(gè)點(diǎn)位置顯示在屏幕上，表筆接觸哪個(gè)點(diǎn)，就熄滅屏幕上的點(diǎn)。后續(xù)再開發(fā)復(fù)雜功能。